自然数到底是否包括「0」?

自然数到底是否包括「0」?

这是一个没有定论的问题。

我个人是支持自然数包含「0」的,并且:

下面尝试描述下关于这个问题的各个方面。

1 现实生活

数数的时候,我们一般从1开始数:

尺子却是从0开始丈量:

那么是从“0”开始“自然”,还是从“1”开始“自然”,在不同历史不同文明中颇有争论。

我们看看数学家是怎么认识这个问题的?

2 皮亚诺公理

朱塞佩·皮亚诺 (1858-1932)是意大利数学家、逻辑学家、语言学家。

他在1889年发表的《算术原理新方法》中提出了定义自然数的五个公理,史称皮亚诺公理:

从这篇历史文献来看,公理明确指出自然数是从1开始的,翻译为易读的语言大概是(关于这五个公理的详细解释请参考“为什么1+1=2,需要证明?”,不过此文是从0开始介绍自然数的):

简而言之,皮亚诺公理通过1和它的后继数们,构成了自然数:

这些自然数在不同的文化中有不同的命名:

很显然,就上述五个公理而言,从0开始还是从1开始都是符合的:

哪怕从22开始都可以,不过从22开始很不符合常识,这个就不讨论了。

那么究竟应该0还是从1开始自然数呢?

3 加法

3.1 加法、减法、整数

有了皮亚诺公理,就比较容易定义加法了(关于加法的定义,请参考这篇文章,下面的用法比较通俗,可能产生混淆):

那么如果有0的话,可以这么来表示“原地踏步”:

抵消相加效果,使之“原地踏步”的运算,就是加法的逆运算,减法(其实可以跳过“原地踏步”这个定义,可自行思考):

我觉得更有用的是,有了0之后,还可以定义相反数:

则 为相反数。这样就可以通过加法,把自然数扩展到整数:

3.2 群论

上面说的并不严格,从群论角度更严格一些(关于群论请参考如何通俗地理解群论?)。

首先来看下半群:

在半群基础上,增加:

幺半群的基础上,增加:

半群、幺半群、群之间的关系是:

群的性质好于幺半群,好于半群。

可见“0”在其中起到了重要作用,在这里,“0”比“1”要重要。

3.3 自然数与群论

如果自然数从1开始,结合上加法,那么满足:

此时定义出来的自然数是一个半群。

增加加法的单位元:

此时定义出来的自然数是一个幺半群,自然数需要从0开始。

增加加法的逆元:

可以得到整数,这是一个完整的群。

因此

我想,这大概是一部分数学家支持自然数包含0的主要原因。

4 另外的构造方式

除了皮亚诺公理以外,还有等效的构造方式。

Zermelo-Fraenkel的构造方式:

Von Neumann的构造方法:

构造都是从 开始,所以一般都会认为是从0开始的。

5 总结

当然,如果自然数不包含0,至少有以下好处:

国外有些教材好像自然数不包含0,最保险的或许如下表示包含0或者不包含0:

其中, 是整数。

文章最新版本在(有可能会有后续更新):自然数到底是否包括「0」?

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